可穿戴醫療保健產品的應用已從運動跟蹤擴展到血氧水平、血糖水平、體溫等的持續監測。而超低功耗模擬人體傳感器、數字微控制器以及創新電源和電池管理電路的開發等技術都在推動可穿戴設備的增長。

在臨床環境中，可穿戴產品可以采集監測到幾乎所有人體信號，且高精度低價格。

根據市場研究公司IHS的分析，2019年全球可穿戴產品的出貨量超過2億件，在六年的時間內翻了一番。

盡管如此，在可穿戴設備根植到更多人的日常生活中之前，仍必須解決與可靠性和準確性相關的許多問題。這些設備必須高度可靠，因為讀數可能用于生活方式調整或作為疾病的預警信號。為此，設計的生物傳感器必須能夠克服惡劣環境、汗水、運動和環境光等因素帶來的測量挑戰。

優異的連接性

任何可穿戴設備的關鍵要求是連接性。無縫無線連接已成為當今可穿戴設備的必備項之一。無線傳輸允許將數據傳輸到更大的顯示屏或遠程數據收集設備。低功耗藍牙(BLE)是適合這一用途的新興標準。此外，近場通信(NFC)提供有限范圍內的無線連接，非常適合短內容傳輸，例如配置信息和記錄數據檢索等。

例如，在開發一種產品(如新款健身手環)時，工程師需要考慮需要傳輸多少數據、傳輸的頻繁度以及傳輸范圍。如果需要傳輸的數據量達到兆字節，則設計人員可能會考慮使用傳統藍牙或Wi-Fi。

范圍是另一個決定因素。BLE通常可以在30米視線范圍內通信。此外，使用場景因素也有影響，例如設備是否與智能手機通信，以將數據轉發到云以進行分析。

能夠承受考驗

許多可穿戴系統設計用于在運動和其他高強度活動中配戴。耐用性是相對的;救生設備與自行車運動員所配戴的運動監測設備的要求不同。

真實條件下的可靠性意味著能夠應對電子設備通常不需要處于其中的環境。這些組件包括用于多參數監測的低功耗模擬前端(AFE)解決方案以及嵌入式模擬部件，例如運算放大器、電流感應放大器、濾波器、數據轉換器等，所有這些都是將真實信號連接到數字系統所必需的。

特別是身體傳感器的電輸出幅度非常低，以毫伏和微伏計。這樣，許多適用于可穿戴健康應用的傳感器與單個晶片或封裝內的放大和轉換電路相結合，以輸出更高電平的模擬信號或串行數字信號。

示例：處理閃爍問題

光電容積脈搏波(PPG)是一種簡單且廉價的光學測量方法，通常用于心率監測和脈搏血氧(一種用于測量血液中氧氣含量水平的測試)讀數。PPG是一種非侵入性技術，在皮膚表面使用光源和光電探測器來測量血液循環的體積變化。

遺憾的是，光學傳感器在使用中會也接收環境光。由于室內照明通常包含閃爍，可能會干擾PPG信號，因此尤其麻煩。根據全球地區差異，室內燈光可能會以50Hz或60Hz的基本頻率閃爍。該頻率接近于PPG信號的采樣頻率。如果不進行校正，環境閃爍會對每個樣本產生不同的偏置。

圖1：可穿戴PPG電路的主要任務是在節省功率的同時獲得最大信噪比(SNR)(來源：美信)

為了抵消這些影響，目前高級的PPGIC采用了智能信號路徑技術。算法也變得越來越復雜。因此，設計人員現在能夠以各種形式使用PPG，包括耳塞、戒指、項鏈、頭帶和臂帶、手環、手表和智能手機。

無論哪種形式，可穿戴傳感器都必須能夠可靠地運行，同時克服常見噪聲和誤差源的影響。PPG傳感器的環境噪聲通常分為兩大類：光學噪聲和生理噪聲。

光學噪聲是指傳感器監測到的光路變化特性與所觀察到的血液量光吸收無關。同樣，生理變化可能會改變組織中的血流量和體積，從而改變PPG信號。

MaximMAX30112手腕型應用心率檢測解決方案具有專為減弱各種50Hz/60Hz閃爍成分而設計的先進相關采樣技術，可以減輕閃爍對PPG信號的破壞作用。它以1.8V主電源電壓運行，并帶有獨立的3.1V至5.25VLED驅動器電源。該器件支持標準的I2C兼容接口，并通過其軟件提供接近零待機電流的關機模式，從而使電源軌始終保持供電。

圖2：MaximMAX30112.的簡化框圖(來源：美信)

節省時間的工具

可穿戴醫療設備是執行特定生物醫學功能的自主、無創性系統。這些設備跟蹤心跳、體溫、血氧和心電(ECG)信號。傳感器對某種物理輸入做出反應，并通過生成信號(通常為電壓或電流形式)進行回應。此信號經過整理與修正以使其更易于讀取，以合理的速率采樣，然后轉換為處理器可讀的信號。

要滿足所有這些要求，構建可穿戴醫療保健產品可能既具有挑戰又耗費時間。

幸運的是，諸如美信的HealthSensorPlatform2.0之類的工具為腕戴式可穿戴設備提供了監測心電信號、心率和體溫的功能，從而可節省數月的開發時間。